PL248673B1

PL248673B1 - Nanocrystalline iron alloy

Info

Publication number: PL248673B1
Application number: PL435346A
Authority: PL
Inventors: Marcin Nabiałek; Jerzy Wysłocki; Bartłomiej Jeż; Katarzyna Błoch
Original assignee: Politechnika Czestochowska
Priority date: 2020-09-18
Filing date: 2020-09-18
Publication date: 2026-01-12
Also published as: PL435346A1

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest nanokrystaliczny stop żelaza, który charakteryzuje się tym, że ma skład Fe60Co10Y9Ni1B20, oraz nieuniknione zanieczyszczenia.The subject of the application is a nanocrystalline iron alloy, which is characterized by the composition Fe60Co10Y9Ni1B20, and unavoidable impurities.

Description

Przedmiotem wynalazku jest nanokrystaliczny stop żelaza mający zastosowanie zwłaszcza w elektronice, elektrotechnice i energetyce.The subject of the invention is a nanocrystalline iron alloy applicable especially in electronics, electrical engineering and energy.

Materiały wykazujące tak zwane właściwości magnetycznie półtwarde są wykorzystywane w wielu gałęziach przemysłu. Jednym z najbardziej znanych zastosowań tych materiałów są pamięci magnetyczne czyli na przykład twarde dyski. Materiał magnetycznie półtwardy jest stosunkowo łatwo namagnesować i rozmagnesować. Dodatnie namagnesowanie tego materiału oznacza logiczną jedynkę, przeciwne - logiczne zero. Jednakże wartość pola koercji powyżej 1000 A/m uniemożliwia przypadkową utratę danych przez rozmagnesowanie materiału.Materials exhibiting so-called semi-hard magnetic properties are used in many industries. One of the most well-known applications of these materials is magnetic memory, such as hard drives. A semi-hard magnetic material is relatively easy to magnetize and demagnetize. A positive magnetization of this material represents a logical one, while a negative magnetization represents a logical zero. However, a coercive field value above 1000 A/m prevents accidental data loss due to material demagnetization.

Jednym z przedstawicieli magnetyków półtwardych są nanokrystaliczne stopy na osnowie żelaza. Istnieje wiele metod wytwarzania stopów nanokrystalicznych. Materiały tego typu można uzyskać poprzez mechaniczne mielenie krystalicznych bądź amorficznych stopów aż do uzyskania ziaren o odpowiednim wymiarze gwarantującym właściwości magnetycznie półtwarde. Innym sposobem otrzymywania stopów nanokrystalicznych jest obróbka termiczna stopów amorficznych. Obróbka taka może zostać przeprowadzona na różne sposoby, między innymi poprzez wygrzewanie stopu w pobliżu lub nieco poniżej temperatury jego krystalizacji. Jednakże obróbka taka jest trudna do zaplanowania oraz energo i czasochłonna. Istnieje możliwość wytworzenia nanokrystalicznych stopów w jednoetapowym procesie produkcyjnym. Można to wykonać poprzez odlewanie ciekłego stopu do miedzianej formy z odpowiednią szybkością chłodzenia. Odpowiednie zaprojektowanie składu chemicznego i zaplanowanie procesu produkcyjnego umożliwia wytworzenie stopu w objętości którego występują nanokrystaliczne ziarna pożądanych faz.One example of semi-hard magnetics are iron-based nanocrystalline alloys. There are many methods for producing nanocrystalline alloys. These materials can be obtained by mechanically grinding crystalline or amorphous alloys until grains of the appropriate size are obtained, ensuring semi-hard magnetic properties. Another method for obtaining nanocrystalline alloys is thermal treatment of amorphous alloys. This treatment can be performed in various ways, including by heating the alloy near or slightly below its crystallization temperature. However, such treatment is difficult to plan and is energy- and time-consuming. It is possible to produce nanocrystalline alloys in a single-stage production process. This can be accomplished by pouring the liquid alloy into a copper mold at an appropriate cooling rate. Appropriate design of the chemical composition and planning of the production process enables the production of an alloy containing nanocrystalline grains of the desired phases.

Z polskiego opisu patentowego nr 154378 znany jest amorficzny stop metali, magnetycznie miękki, przeznaczony w szczególności na rdzenie magnetyczne pracujące w zmiennych polach magnetycznych o podwyższonej częstotliwości i polach impulsowych będący na osnowie Fe i zawierający wagowo 18-21% Co, 4-8% B i Si łącznie oraz 0,05-1,0% Ta, a resztę składu stanowi Fe.Polish patent description No. 154378 describes an amorphous metal alloy, magnetically soft, intended in particular for magnetic cores operating in alternating magnetic fields of increased frequency and pulsed fields, based on Fe and containing by weight 18-21% Co, 4-8% B and Si together and 0.05-1.0% Ta, with the remaining composition being Fe.

Innym znanym z polskiego opisu patentowego nr 131127 jest metalowy stop żelaza, boru i krzemu zawierający wagowo: (77:80%) żelaza, (12%: 16%) krzemu, (5:10%) boru oraz ślady zanieczyszczeń wytwarzany w postaci bardzo cienkich taśm.Another known from Polish patent description No. 131127 is a metal alloy of iron, boron and silicon containing by weight: (77:80%) iron, (12%:16%) silicon, (5:10%) boron and traces of impurities produced in the form of very thin ribbons.

Celem wynalazku jest otrzymanie w jednoetapowym procesie masywnego szybkochłodzonego stopu o strukturze nanokrystalicznej, którego właściwości będą charakteryzowały się wartością pola koercji z przedziału 1000 - 10000 A/m, wysoką indukcją nasycenia i dobrą stabilnością temperaturową.The aim of the invention is to obtain a massive, rapidly cooled alloy with a nanocrystalline structure in a single-stage process, the properties of which will be characterized by a coercive field value in the range of 1000 - 10000 A/m, high saturation induction and good temperature stability.

Istotą wynalazku jest nanokrystaliczny stop żelaza charakteryzujący się tym, że ma skład Fe60Co10Y9NhB20, oraz nieuniknione zanieczyszczenia. Nieuniknione zanieczyszczenia są w ilości nie większej 0,09%.The invention is based on a nanocrystalline iron alloy characterized by a composition of Fe60Co10Y9NhB20, with unavoidable impurities. Unavoidable impurities amount to no more than 0.09%.

Stop wytworzony został w jednym etapie produkcji. Nie poddano go dodatkowej obróbce umożliwiającej jego nanokrystalizację. Podczas procesu odlewania stop został schłodzony z prędkością około 10² K/s, co przy takiej prędkości powoduje znaczne odprężenie struktury i nadanie stopowi oczekiwanych właściwości. Materiał ze stopu Fe60Co10Y9NhB20 według wynalazku zawiera odpowiednio (atomowo): Fe - 60%; B - 20%; Y - 9%; Co - 10%, Ni - 1% przy dopuszczalnym zanieczyszczeniu max 0,09%.The alloy was produced in a single production step. It was not subjected to additional processing to enable its nanocrystallization. During the casting process, the alloy was cooled at a rate of approximately ¹⁰ K/s, which at this rate significantly relaxes the structure and gives the alloy the desired properties. The Fe60Co10Y9NhB20 alloy material according to the invention contains (atomically): Fe - 60%; B - 20%; Y - 9%; Co - 10%, Ni - 1%, with a maximum permissible impurity of 0.09%.

Zaletą proponowanego stopu według wynalazku w stosunku do wytwarzanych materiałów nanokrystalicznych jest to, że stop o grubości 0,5 mm można wytworzyć w jednym etapie produkcji.The advantage of the proposed alloy according to the invention over the produced nanocrystalline materials is that an alloy with a thickness of 0.5 mm can be produced in one production step.

P rz y kła d IE x a m p l e

Stop zawiera atomowo Fe - 60%; B - 20%; Y - 9%; Co - 10%, Ni - 1% przy zanieczyszczeniu 0,05%.The alloy contains atomic Fe - 60%; B - 20%; Y - 9%; Co - 10%, Ni - 1% with an impurity of 0.05%.

Z polikrystalicznych wlewków wytworzonych znanymi sposobami w piecu łukowym w atmosferze ochronnej argonu wykonuje się porcje wsadowe do finalnego wytopu. Próbki nanokrystaliczne o kształtach płytek (0,5 mm grubość) wytwarzane są przy użyciu metody wtłaczania ciekłego stopu do miedzianej formy. Forma jest odpowiednio wydrążona i jest chłodzona wodą. Polikrystaliczny stop jest umieszczany w kwarcowym tyglu o otworze o średnicy 1 mm. Materiał zostaje przetopiony przy użyciu prądów wirowych i zostaje wtłaczany pod ciśnieniem argonu do miedzianej formy. Cały proces odlewania odbywa się w komorze próżniowej w atmosferze ochronnej argonu.Polycrystalline ingots, produced by known methods in an arc furnace under an argon protective atmosphere, are used to prepare batches for the final melt. Plate-shaped nanocrystalline samples (0.5 mm thick) are produced by forcing the liquid alloy into a copper mold. The mold is suitably hollowed and water-cooled. The polycrystalline alloy is placed in a quartz crucible with a 1 mm diameter opening. The material is melted using eddy currents and forced under argon pressure into the copper mold. The entire casting process takes place in a vacuum chamber under an argon protective atmosphere.

Strukturę stopu badano przy użyciu dyfraktometru rentgenowskiego. Na rysunku zamieszczono zarejestrowany dyfraktogram.The alloy's structure was studied using an X-ray diffractometer. The resulting diffraction pattern is shown in the figure.

PL 248673 Β1 □ aFePL 248673 Β1 □ aFe

Fe.YFe.Y

eoeo

100 theta [dog]100 theta [dog]

Otrzymany stop charakteryzuje się dwufazową strukturą. Stop składa się z matrycy amorficznej o czym świadczy występowanie szerokiego maksimum w zakresie 40 - 50° kąta 2 theta. Ponadto na dyfraktogramie widoczne są refleksy pochodzące od faz krystalicznych: magnetycznie miękkiej aFe oraz magnetyczne półtwardej FesY. Właściwości magnetyczne stopu określono na podstawie analizy statycznej pętli histerezy magnetycznej.The resulting alloy is characterized by a two-phase structure. The alloy consists of an amorphous matrix, as evidenced by the presence of a broad maximum in the 40-50° 2 theta angle range. Furthermore, the diffraction pattern shows reflections from the crystalline phases: magnetically soft aFe and magnetically semi-hard FesY. The alloy's magnetic properties were determined based on static analysis of the magnetic hysteresis loop.

ΠΊPI

Wytworzony nanokrystaliczny stop charakteryzuje się wartością pola koercji Hc = 5000 A/m oraz magnetyzacją nasycenia Ms = 1,14 T.The produced nanocrystalline alloy is characterized by a coercive field value of Hc = 5000 A/m and a saturation magnetization of Ms = 1.14 T.

Claims

1. Nanocrystalline iron alloy, characterized by the composition FeeoCoioY9NiiB2o, and unavoidable impurities.